门式刚架轻型房屋钢结构采用砌体外围护墙时的抗震设计

摘要：工程设计中，建设单位出于对外围护墙体坚固耐久、安全美观等方面的考虑，要求墙体采用砌体结构。门式刚架轻型房屋钢结构外围护墙体采用砌体结构时如何进行抗震设计，本文结合STS计算软件的使用对此进行相关探讨。
　　关键词：门式刚架轻型房屋钢结构，砌体外围护墙，抗震设计
　　1. 门式刚架的构造措施
　　《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002中，1.0.2条说明，门式刚架轻型房屋的外墙可采用砌体，此时应符合本规程第4.4.3条的规定，即门式刚架轻型房屋的外墙，当抗震设防烈度不高于6度时，可采用嵌砌或非嵌砌砌体(砌在钢柱外侧的砌体)；当抗震设防烈度为7度、8度时，可采用非嵌砌（贴砌）砌体，在构造上与刚架柱保持柔性连接。但规范没有细致说明两个不同性质材料如何协同变形，应采取哪些必要的构造措施。砌体与刚架柱的连接，影响整个结构的动力性能与抗震能力。两者之间的连接处理不同时，影响也不同。出于砌体墙与钢柱的变形刚度不同及墙体稳定性要求两方面考虑，在设计时可以采用如下两种处理方法：其一是把砌体墙与钢柱脱开一定距离（可以根据柱顶位移大小确定），这时在水平力作用下各自变形，互不影响，但砖墙必须满足高厚比的要求，同时墙体内构造柱和圈梁设置要满足非结构构件的构造要求。其二是做成柔性拉结，常见的是在柱上间距500焊一对螺母，将钢筋折弯，一部分插入螺母，一部分埋入砖墙，另外还有Z形连接件、V形连接件连接等。这时钢柱可以成为砖墙平面外稳定的侧向支点，砖墙的高厚比比较容易满足，而且墙体不妨碍柱沿纵向的水平位移。此时可只考虑墙体的重量而不计其刚度和强度的影响。砌体填充墙的不合理设置大致如下：柱间的填充墙不到顶，或在柱间局部高度砌墙，限制刚架柱的变形，使这些柱处于短柱状态，导致其剪切破坏，应予以重视。
　　1.1控制刚架的柱顶位移
　　这是最通常有效的防止砖砌体开裂的做法。门式刚架的柱顶位移设计值的限值：无吊车情况，当采用砌体墙时，柱顶位移限值为：h/240。根据2004年4月《中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会》在唐山召开的《全国建筑钢结构行业大会》的论文集中的CECS102:2002勘误，第12页，表3.4.2-1无吊车情况，当采用砌体墙时，柱顶位移限值应为h/240，原1/100错误，特此说明。
　　1.2墙体通过与刚架柱柔性连结
　　这样可以保证墙体稳定，防止墙体开裂。一般说来，门式钢架结构的砌体围护墙是直接落地的，用墙下基础梁或条形基础承担墙体自重，砌体围护墙本身满足砌体的受压和高厚比，保证稳定性；在构造上与刚架柱采用柔性连接，顺利传递风载即可。
　　2门式刚架的抗震设计
　　《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第3.7.4规定，砌体围护墙应考虑对结构抗震的不利影响，避免采用不合理设置而导致主体结构的破坏。第13.2.1规定，地震作用计算时，应计入支承与结构构件的建筑构件的重力。对柔性连接的建筑构件，可不计入刚度；对嵌入抗侧力构件平面内的刚性建筑非结构构件，可采用周期调整等简化方法计入其刚度的影响；一般情况下不计入其抗震承载力，当有专门的构造措施时，尚可按有关规定计入其抗震承载力。支承非结构构件的结构构件，应将非结构构件地震作用效应作为附加作用对待，并满足连接件的锚固要求。门式刚架轻型厂房一般不用考虑地震作用。对于用砌体墙作围护结构的门式刚架轻型厂房，由于墙体比较高，质量比较大，在水平地震作用下墙体对刚架产生的水平力对柱的内力影响比较大.一般不能忽略。新版的STS已经考虑这类附加重量作用的问题,通过比较，计算柱弯矩时，考虑墙体的附加重量作用要比不考虑的大20%左右。砌体结构的墙体抗震性能比彩钢墙面差的多，在计算上我们必须慎重，在概念上要把握好。在STS中，通过在附加信息-----附加重量里,把砌体墙体的部分自重简化到柱顶上来考虑地震作用下砌体墙对钢柱的影响。在设计基础时，如果砌体墙下设条形基础，自重不传给柱脚，就不考虑这部分附加重量；如果砌体墙下设基础梁，自重传给柱脚，就必须考虑这部分附加重量；如果STS能把梁柱自重放大系数分开定义，那么也可以通过修改柱子自重放大系数来达到目的，但这样就会增加柱的轴力，这与实际受力状况会有些差异，较大的轴力对于轻钢结构刚架柱的影响是比较大的。在实际工程设计中考虑地震作用或者说需要知道地震对结构的影响的时候，把附加重量加上；不考虑地震作用的时候，可以把附加重量删除，按正常步骤进行设计；操作上还是可以实现的，虽然说不是很精确，但是能够大致反映结构的受力状态。STS平面2维计算不能考虑平面外（纵向）的荷载作用，如果想分析，还需要人工进行设计计算。可参照《建筑抗震设计规范》GB50011-2001附录J单层钢筋混凝土柱厂房纵向抗震验算的有关规定进行。常见的砌体围护墙连接设计是参照国家标准图集《建筑物抗震构造详图（钢筋混凝土柱单层厂房）》（04G329-8），沿钢柱间距500设置φ6或φ8的拉筋伸入围护墙体。用STS验算时，不能忽略砌体围护墙的影响。因为刚架结构在没有其他外力的情况下即使是安全的，当加了墙体传来的荷载时，就不一定安全，尤其是在高地震区更加危险。在这种情况下，砌体墙与钢柱靠钢筋拉结联系时，如果墙内没有设置连系梁，砌体墙的重力一般不传给钢柱，而是直接传到基础梁或条形基础上。只有水平力（如风荷载，地震作用等）通过拉结钢筋传到钢柱上。形成对钢柱的水平作用。另一方面，也可以在所计算的刚架外侧增加一跨来布置附加重量，此时附加一跨梁柱的两端均设为铰接，这样也可以实现地震作用下砌体墙对钢柱的影响。在STS中附加重量与恒荷输入的差异比较如下：
　　恒荷：永久作用在结构上的荷载；附加重量：正常使用情况下不作用于结构上，但是在地震作用下，其水平剪力需要由刚架来承担。
　　组合1：1.2恒+1.4活+0.6x1.4风；
　　组合2：1.2（恒+0.5活）+1.3地震；仅“1.3地震”这一项力计算附加重量。
　　3砌体围护墙的的抗震设计
　　《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第13.2.2规定，非结构构件的地震作用计算方法，应符合下列要求：墙体的地震力应施加于其重心，水平地震力应沿任一水平方向。一般情况下，墙体自身重力产生的地震作用可采用等效侧力法计算。采用等效侧力法时，水平地震作用标准值宜按下列公式计算：F=γ•η•ξ1•ξ2•αmax•G；式中F-----沿最不利方向施加于非结构构件重心处的水平地震作用标准值；γ---非结构构件功能系数，由相关标准根据建筑设防类别和使用要求等确定；η---非结构构件类别系数，由相关标准根据构件材料性能等因素确定；ξ1---状态系数；对预制建筑构件、悬臂类构件、支承点低于质心的任何设备和柔性体系宜取2.0，其余情况可取1.0；ξ2---位置系数，建筑的顶点宜取2.0，底部宜取1.0，沿高度线性分布；αmax--地震影响系数最大值；可按本规范第5.1.4条关于对于地震的规定采用；G--非结构构件的重力。
　　4.砌体围护墙的的基本抗震措施
　　墙体需满足非结构构件的抗震要求。《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第13.3规定，建筑非结构构件的基本抗震措施如下：砌体外围护墙体的预埋件、锚固件的部位，应采取加强措施，以承受墙体传给主体结构的地震作用。砌体的砂浆强度等级不应低于M5。墙体的布置，应避免使结构形成刚度和强度分布上的突变。沿纵向宜均匀对称分布。墙体与主体结构应有可靠的拉结，应能适应主体结构不同方向的层间位移；8、9度时应具有满足层间变位的变形能力，与悬挑构件相连接时，尚应具有满足节点转动引起的竖向变形的能力，宜满足在设防烈度下主体结构层间变形的要求。砌体墙应采取措施减少对主体结构的不利影响，并应设置拉结筋，水平系梁、圈梁、构造柱等与主体结构的可靠拉结：墙体与主体宜脱开或柔性连接，并应采取措施使墙体稳定。拉接可采用Z、v型连接板，且砌体应和钢柱有一段距离(一般为50mm为宜)，但也不尽相同，要根据钢柱顶部位移确定；因为门钢柱顶位移为1/240（无吊），因此无嵌固式须离墙体一段距离，否则，会出现钢柱变形后把墙体推倒（即使设置了连接也会把连接件撕裂）。外围护墙体宜采用外贴式并与柱可靠拉结。砌体围护墙宜在柱顶处设圈梁一道；8、9度时应按上密下稀的原则每隔4m左右在窗顶设置一道圈梁。门式刚架轻型房屋钢结构采用砌体外围护墙时的抗震设计，必须从抗震计算及构造措施两方面入手，在计算上必须概念清晰，模型正确；在构造措施上必须予以足够重视，同时加强连接措施及墙体自身的抗震措施。切实保证主体结构及墙体结构的安全。
　　参考文献:
　　［1］轻型钢结构设计指南编辑委员会．轻型钢结构设计指南.
　　［2］CECS102∶98，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［S］.
　　［3］杨娜.王娜.吴知丰轻型门式刚架结构及其最优腹板高度的研究.
　　［4］张和平.程海琴.罗威年论门式刚架截面优化设计在我国的发展.

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